第十章地下水的動態(tài)與均衡

1、第十章 地下水動態(tài)與均衡,第1節(jié) 地下水動態(tài)與均衡的概念 地下水動態(tài) 含水層與環(huán)境之間進行物質(zhì)、能量交換時，導(dǎo)致含水層諸要素(如水位、水量、化學(xué)成分、氣體成分、溫度、微生物等)隨時間的變化的現(xiàn)象。 動態(tài)成因 含水層物質(zhì)、能量收支不平衡。 地下水均衡 某一時段、某一地段地下水水量（鹽量、熱量等）的收支狀況。 地下水動態(tài)與均衡研究意義 查清地下水的補給與排泄，確定含水層之間以及含水層與地表水體的關(guān)系，闡明其資源條件，為合理利用地下水或有效防范其危害提供的判據(jù)。,第1節(jié) 地下水動態(tài)與均衡的概念,地下水動態(tài)與均衡的關(guān)系： 地下水動態(tài)是地下水均衡的外在表現(xiàn)，地下水均衡是地下水動態(tài)的內(nèi)在原因。 地下水動態(tài)

2、的研究包括： 影響因素、類型和成果分析。 地下水均衡的研究包括 均衡區(qū)和均衡期的確定、均衡方程式的確定、各收支項的求取、均衡計算結(jié)果的校核和分析。 我國國土資源部門累計建立地下水監(jiān)測點23800個，監(jiān)測控制面積100萬KM2,主要集中在城市及大型供水水源地周圍。,第2節(jié) 影響地下水動態(tài)的因素,一、地下水動態(tài)的兩類影響因素 （1）地下水諸要素（水量、鹽量、熱量、能量等）本身的收支變化即外界激勵（輸入）因素。包括氣象因素、氣候因素、水文因素、生物因素、地質(zhì)營力因素、天文因素等地下水本身的收支狀況。 （2）影響激勵（輸入）-響應(yīng)（輸出）關(guān)系的轉(zhuǎn)換因素（影響地下水動態(tài)曲線具體形態(tài)的因素），主要是地質(zhì)因

3、素。主要是地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件，包括地質(zhì)構(gòu)造、含水層類型、巖性、地下水埋藏深度等影響地下水收支狀況的轉(zhuǎn)換因素。,第2節(jié) 影響地下水動態(tài)的因素,以大氣降水入滲補給抬升潛水位為例說明。一個降雨-地下水位抬升過程可以看做一個脈沖轉(zhuǎn)換為波形的過程。包氣帶的濾波作用，將一次降雨脈沖轉(zhuǎn)換為一個時間滯后和時間延遲的地下水位波峰。波峰與降雨相對應(yīng)，波峰出現(xiàn)和延續(xù)的時間，以及波峰形態(tài)，取決于包氣帶巖性及地下水埋藏深度。 包氣帶厚度和地下水埋藏深度不同時，地下水位對一次降雨的響應(yīng)也是不同的。下圖：1為滲透性良好的巖溶，2為滲透性和厚度適中的砂巖，3為滲透性差且埋深大的粘土。三者的時間滯后和時間延遲分別見圖，很短

4、的尖峰、中等的波峰和很大的緩峰。若降雨為若干次，則形成疊合波峰。 地下水動態(tài)的本源因素是隨時間變動的因素：包括氣象因素、水文因素、生物因素，地質(zhì)營力因素和天文因素等。 地下水動態(tài)的轉(zhuǎn)換因素主要是地質(zhì)結(jié)構(gòu)及水文地質(zhì)條件。如地質(zhì)構(gòu)造、含水層類型、巖性、地下水埋藏深度等。,第2節(jié) 影響地下水動態(tài)的因素,二、氣象(氣候)因素 降水量的時空分布影響潛水的補給，導(dǎo)致潛水含水層水量增加，水位抬升。氣溫、濕度、風(fēng)速等與其它條件結(jié)合，影響著潛水的蒸發(fā)排泄，使?jié)撍孔兩伲唤档汀?氣象要素具有晝夜、季節(jié)與多年變化周期性。其中季節(jié)變化最為顯著且最有意義。 我國大部屬季風(fēng)氣候。自南而北5至7月先后進入雨季，降水顯

5、著增多，潛水位逐漸抬高并達(dá)峰值。雨季結(jié)束，補給逐漸減少。由于徑流及蒸發(fā)，潛水水位逐漸回落，到翌年雨季前達(dá)谷值。全年潛水位動態(tài)呈單峰單谷。,19541955年 北京地區(qū) 潛水動態(tài)曲線,降水,蒸發(fā),潛水位,氣候還存在多年的周期。如11年太陽黑子，導(dǎo)致地下水位呈同一周期變化。 設(shè)計重大的地下水供排水設(shè)施，應(yīng)考慮多年的地下水位與水量的變化。供水工程應(yīng)考慮多年地下水位最低時水量能否滿足要求。排水要考慮多年最高地下水位時的排水能力。缺乏地下水多年觀測資料時，則可利用多年的氣象、水文資料，或者根據(jù)樹木年輪、歷史資料與考古資料，推測地下水多年動態(tài)。,前蘇聯(lián)卡明草原地下水位變化曲線,黃河源區(qū)多年降水周期變化,三

6、、水文因素 地表水體補給地下水而引起水位抬升。距河流遠(yuǎn)，水位增幅減小，滯后時間長。 河水對地下水動態(tài)的影響一般為數(shù)百米至數(shù)公里，范圍以外，主要受氣候因素的影響。,15 井水位，井位距河漸遠(yuǎn) 6 河水位,四、其他因素 地震、固體潮、潮汐、外部荷載等都會引起地下水要素變化。 地震：水位速升速降，化學(xué)成分異常（如氡），氣體成分變化。 固體潮：例如周期為12小時的日月位置變化引起的固體潮，導(dǎo)致地下水位出現(xiàn)波動。 潮汐：海洋潮汐會增減承壓含水層荷載，導(dǎo)致地下水位發(fā)生相應(yīng)升降。 外部荷載：例如礦坑開采、火車開動及停止等都會影響承壓含水層測壓水位的升降。 注意：以上這些都只是影響地下水的變化，不影響地下水儲

7、存量的變化。,五、人為活動 井孔開采：井孔開采導(dǎo)致泉流量減少或枯竭、向河流泄流減少或停止、蒸發(fā)量減少等。 如果新增的補給量以及減少的天然排泄量之和等于人工排泄量，地下水達(dá)到新的均衡，地下水位維持在原先高程更低的位置，以更大的浮動變動，但不會持續(xù)下降。,井孔開采 如果人工開采量過大，新增的補給量及減少的天然排泄量之和小于人工排泄量，地下水位持續(xù)下降。,修建水庫：攔截蓄水，抬高地下水位，易引起次生沼澤化或鹽漬化，基巖地區(qū)導(dǎo)致巖體工程性降低。 引用地表水灌溉：引來外來水，抬高地下水位，易引起次生沼澤化或鹽漬化。 注意：在干旱半干旱地區(qū)，地下水人工排泄可以減少蒸發(fā)量，也可以減輕乃至消除原有的土壤鹽堿化

8、，所以經(jīng)常排泄地下水很有利；但是注意“度”，人工排泄過多，導(dǎo)致地下水位大幅度降低，減少了向河流的泄流，破壞原來的水文系統(tǒng)以及相關(guān)的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)的平衡。 但是地下水補給、排泄過多都會造成生態(tài)和水文災(zāi)害。,六、地質(zhì)因素 1、潛水 降水補給潛水時，包氣帶厚度與巖性影響地下水位的變化。潛水埋藏深愈大，水位變化愈滯后。巖性的滲透性愈好，水位抬升的滯后愈短。 潛水儲存量的變化為 Q=*h。當(dāng) Q相同時， （飽和差）愈小，h變幅愈大。最典型的巖溶化巖層滲透性好但飽和差小，水位變幅在分水嶺地區(qū)可達(dá)數(shù)十米甚至更多，滯后性很差。,2、承壓含水層 承壓水動態(tài)變化比潛水小的成因： 隔水頂板限制了補給區(qū)的范圍。 補給區(qū)

9、變化的影響幅度與范圍（動態(tài)變化影響因素）：（1）與補給區(qū)的距離有關(guān) 在補給區(qū)的潛水位變化明顯，距離遠(yuǎn)變化漸弱。（2）受到巖層的滲透性、厚度、給水度等影響。 給水度影響：承壓水獲得補充水量和能量時，儲存量的變化以彈性給水度e (貯水系數(shù)S )與測壓水位變幅hc表示，即 Q=e*hc。由于彈性給水度e比潛水給水度小1-3個數(shù)量級，接受同量補給或增加同應(yīng)力時，承壓水測壓水位抬升幅度h比潛水大得多。 承壓含水層的水位變動還受到固體潮（月亮T=12h）、地震等地質(zhì)應(yīng)力引起( Q=0)。,第3節(jié) 地下水天然動態(tài)類型 1、潛水 潛水及松散沉積物淺部的水，可分為三種主要動態(tài)類型：蒸發(fā)型、徑流型及弱徑流型。 （

10、1）蒸發(fā)型 出現(xiàn)于干旱半干旱地區(qū)平原或盆地。地下水徑流微弱，以蒸發(fā)排泄為主。 動態(tài)變化特點：年水位變幅小，各處變幅接近，水質(zhì)季節(jié)變化明顯。發(fā)展趨勢是地下水鹽化，土壤鹽漬化。,（2）徑流型 分布于山區(qū)及山前。地形高差大，水位埋藏深，蒸發(fā)排泄可以忽略，以徑流排泄為主。雨季入滲補給后，近排泄區(qū)的低地水位上升幅度??；山前高處水位上升幅度大。因此水力梯度增大，徑流排泄加強。 動態(tài)的特點：年水位變幅大而不均(由分水嶺到排泄區(qū)，年水位變幅由大到小)，水質(zhì)季節(jié)變化不明顯，趨于淡化。,（3）弱徑流型 氣候濕潤的平原與盆地 地形切割微弱，潛水埋藏深度小，但氣候濕潤，蒸發(fā)排泄有限，仍以徑流排泄為主，但徑流微弱。 動

11、態(tài)的特征：年水位變幅小，各處變幅接近，水質(zhì)季節(jié)變化不明顯，長期向淡化方向發(fā)展。 2、承壓水 均屬徑流型。動態(tài)變化的程度取決于構(gòu)造封閉條件。構(gòu)造開啟程度愈好，水交替愈強烈，動態(tài)變化愈強烈，水質(zhì)的淡化趨勢愈明顯。,由于不同研究者從不同角度進行劃分，參照阿利托夫斯基的分類，以補給和排泄組合方式為基礎(chǔ)，結(jié)合我國氣候、地形特征，兼顧地下水水量和水質(zhì)的時間變化，分為以下四種類型： 1.入滲-徑流型動態(tài) 接受降水及地表水補給，以徑流方式排泄，地下水化學(xué)作用以溶濾為主。 此類動態(tài)分布于不同氣候條件下的山區(qū)及山前，接受入滲補給，地形切割強烈，地下水位埋藏深，蒸發(fā)排泄可忽略，以徑流排泄為主。動態(tài)特點是：年水位變幅

12、大而不均，由補給區(qū)到排泄區(qū)，年水位變幅由大到小，水質(zhì)季節(jié)變化不明顯，水土向淡化方向演變。,2.徑流-蒸發(fā)型動態(tài) 以側(cè)向徑流補給為主，以蒸發(fā)方式排泄，地下水化學(xué)作用以濃縮為主。 主要分布于干旱內(nèi)陸盆地遠(yuǎn)山及盆地中心部位，地下水埋藏深度淺，巖性為細(xì)粒土。降水稀少，接受地下水側(cè)向徑流補給，地下水位埋藏淺，蒸發(fā)排泄為主。動態(tài)的特點是：年水位變幅小而均勻，水質(zhì)缺乏明顯季節(jié)變化，水土向鹽化方向演變。,3.入滲-蒸發(fā)型動態(tài) 以接受當(dāng)?shù)亟邓a給為主，徑流微弱，就地蒸發(fā)排泄，地下水化學(xué)作用為溶濾-濃縮間雜發(fā)生。 主要分布于半干旱平原和盆地內(nèi)部，受季風(fēng)影響，季節(jié)性干濕變化明顯，在微地貌控制下，局部水流系統(tǒng)發(fā)育。因

13、此，地下水由補給區(qū)向排泄區(qū)短程徑流，地下水位變幅較小。 時間上，溶濾和濃縮作用交替出現(xiàn)； 空間上，溶濾作用和濃縮作用間雜發(fā)生。,4.入滲-弱徑流型動態(tài) 以接受當(dāng)?shù)亟邓a給為主，徑流和蒸發(fā)均較微弱，地下水化學(xué)作用以溶濾為主。 主要分布于濕潤平原和盆地，由于氣候濕潤，降水豐富，地形高差小，徑流及蒸發(fā)排泄均較微弱，地下水位變幅小，水質(zhì)季節(jié)變化不大，水土向淡化方向演變。 除此之外，還有徑流-徑流型，例如內(nèi)陸的綠洲。徑流-蒸發(fā)型和入滲-蒸發(fā)型轉(zhuǎn)化為徑流-徑流型和入滲-徑流型。,第4節(jié) 地下水均衡,均衡區(qū) 地下水均衡計算所選定的區(qū)域。最好是一個具有隔水邊界的完整水文地質(zhì)單元。 均衡期 地下水均衡計算的所選

14、定時間段?？梢允窃录灸?，也可以是若干年。最好是氣象水文共同的強周期。 正均衡 在均衡區(qū)均衡期內(nèi)，地下水物質(zhì)(水量、鹽量)和能量的收入大于支出，表現(xiàn)為地下水儲存量（鹽儲量)熱能增加的現(xiàn)象。當(dāng)支出大于收入，地下水物質(zhì) (水儲存量、鹽儲量)和熱儲量減少稱作負(fù)均衡。 對于一個地區(qū)來說，多年的氣候變化不大，地下水也保持收支平衡。在較短的時期內(nèi)，氣候波動較大，地下水隨之表現(xiàn)為水量與水質(zhì)隨時間變化的現(xiàn)象，即地下水動態(tài)。,陸地上某一地區(qū)天然狀態(tài)下總的水均衡收支如下圖所示,水均衡方程,大氣降水入滲量(X) 地表水上游流入量(Y1) 地下水流入量(越流補給量)(W1) 水汽凝結(jié)量(Z1),收入項(A),地表水下游

15、流出量(Y2) 地下水流出量（W2） 蒸發(fā)量(Z1),支出項(B),均衡期的存儲量變化 A B (X+Y1+W1+Z1) - (Y2+W2+Z2)= ,地表水變化量(V) 包氣帶水變化量(m) 潛水變化量(h) 承壓水變化量(ehc),水儲量變化 ,均衡期的存儲量變化 A B (X+Y1+W1+Z1) - (Y2+W2+Z2)= X-（Y2-Y1）-（W2-W1）-（Z2-Z1）= V + m + h + ehc= ,對于潛水：潛水均衡示意圖,潛水均衡方程,降水入滲補給量(Xf) 地表水滲入量(Yf) 水汽凝結(jié)量(Zc) 上游斷面流入量（Wu1） 越流補給量(Qt),收入項(A),潛水蒸發(fā)量(

16、Zu) 排泄量(Qd) 下游斷面流出量（Wu2）,支出項(B),均衡期的潛水儲量變化 h (Xf+Yf+Zc +Wu1+Qt) - (Zu+Qd+Wu2)= h,多年干旱半干旱平原潛水均衡方程,降水入滲補給量(Xf) 地表水滲入量(Yf) 水汽凝結(jié)量(Zc=0） 上游斷面流入量（Wu1=0）徑流微弱 無越流補給(Qt=0),收入項(A),潛水蒸發(fā)量(Zu) 排泄量(Qd=0) 下游斷面流出量（Wu2=0）徑流微弱,支出項(B),多年均衡條件下潛水儲量變化 h=0 Xf+Yf - Zu= 0 即 Xf+Yf = Zu 上式即為典型半干旱平原或盆地中心潛水均衡方程式。,第5節(jié) 人為活動影響下的地下

17、水均衡,隨著人類生產(chǎn)生活的延續(xù)，人類活動影響下的地下水均衡越來越重要，它可以定量評價人類活動對地下水動態(tài)的影響，預(yù)測水量水質(zhì)的變化趨勢，據(jù)此提出合理的地下水動態(tài)調(diào)控措施。 例如，為防治土壤次生鹽堿化，克雷洛夫?qū)跗潉e克斯坦某灌溉區(qū)進行潛水均衡研究，得到該區(qū)潛水均衡方程式： h=Xf+f1+f2+Qt- Zu Qr 即31.0=22.7+255.5+77.0+9.2-313.4-20.0,第5節(jié) 人為活動影響下的地下水均衡,由此方程式我們可以得到重要的信息： 1.潛水表現(xiàn)為正均衡，潛水位上升620mm，潛水儲存量增加31mm，照這樣下去，潛水不斷蒸發(fā)，會造成土壤鹽堿化； 2.灌溉水入滲是造成潛水

18、上升、原地下水均衡破壞的主要因素，它占總補給量的91%； 3.現(xiàn)有的排水設(shè)施排水能力太低，不能有效防治潛水位抬升； 4.為防治土壤次生鹽堿化，必須減少灌水入滲、增大排水能力，或兩者兼顧，這樣才能消除每年31mm的潛水儲存量。,第6節(jié) 大區(qū)域地下水均衡研究中的一些問題,對于大型含水系統(tǒng)，除了統(tǒng)一求算補給量外，往往還需要分別求算各子系統(tǒng)的補給量，此時，應(yīng)非常注意避免上下游之間，淺層水、深層水之間，地表水與地下水之間的水量重復(fù)計算。 舉例說明： 主要是山前洪積物沖積物堆積的復(fù)雜平原孔隙含水系統(tǒng)，包含了山前沖洪積平原潛水、沖積湖積平原淺層水及深層水。其中沖積湖積平原的粘土為弱透水層，自淺而深，由無壓的

19、淺層水逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘氤袎旱纳顚铀?第6節(jié) 大區(qū)域地下水均衡研究中的一些問題,下圖為一堆積平原孔隙含水系統(tǒng)，包含了山前沖洪積平原潛水、沖積湖積平原淺層水及深層水。其中沖積湖積平原的粘土為弱透水層，自淺而深，由無壓的淺層水逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榘氤袎旱纳顚铀?第6節(jié) 大區(qū)域地下水均衡研究中的一些問題,山前沖積洪積平原潛水：Xf1+Yf1+W1=Zu1+Qd+W2 沖積平原淺層水：Xf2+Yf2+Qt=Zu2 沖積湖積平原深層水：W2=Qt+W3,第6節(jié) 大區(qū)域地下水均衡研究中的一些問題,上式兩端相加，得到： Xf1+Xf2 + Yf1+Yf2 +W1= Zu1+Zu2+Qd+W3 注意：我們在計算含水系統(tǒng)的水均衡時，不能簡單的將整個系統(tǒng)的收入項累加，以免重復(fù)計算，如上式簡單相加時造成W2和Qt重復(fù)計算。 假定單獨開采山前平原潛水，則整個系統(tǒng)的水量均衡產(chǎn)生變化：